專利名稱：非對稱高場強(qiáng)離子遷移譜分析儀遷移管過濾器及其加工方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及非對稱高場強(qiáng)離子遷移譜分析儀，具體涉及一種非對稱高場強(qiáng)離子遷移譜分析儀FAIMS遷移管過濾器及其加工方法。
背景技術(shù)：
離子遷移譜分析儀IMS是一種從 氣體樣品中檢測特定分子的有效方法。圖I示出了典型的離子遷移譜分析儀遷移管過濾器結(jié)構(gòu)，根據(jù)圖1，載氣和樣品氣體通過左邊箭頭所示的方向進(jìn)入離化區(qū)，并在離化區(qū)被電離；電離后的樣品氣體進(jìn)入遷移區(qū)，在遷移區(qū)的內(nèi)電場作用下進(jìn)行遷移；在特定的內(nèi)電場中，不同的離子遷移率不同，因此通過整個(gè)遷移區(qū)的時(shí)間也不相同。通過測量已知遷移區(qū)長度和內(nèi)電場下的離子遷移時(shí)間，就可以計(jì)算出被測樣品離子的遷移率，從而識別樣品的化學(xué)成分。該技術(shù)在爆炸物、毒品等化學(xué)成分檢測方面有廣泛的應(yīng)用。但是，MS的遷移電場的電極極板間距較大，需要很高的電壓生成需要的內(nèi)電場，氣體成份需要使用特定的氣體載體送入檢測電場，設(shè)備龐大、復(fù)雜，需要專門的實(shí)驗(yàn)室，不適合安全篩查和國防等領(lǐng)域的在線應(yīng)用。圖2示出了 ABC三種不同物質(zhì)離子遷移率隨著電場強(qiáng)度的增加而發(fā)生變化的曲線。其中，Emin是離子遷移率偏離常值的最小場強(qiáng)，Emax是通常狀況下，不產(chǎn)生擊穿的最大場強(qiáng)。根據(jù)圖2，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以知道，離子在更高場強(qiáng)下的遷移率不再是常數(shù)。例如圖2中不同的三種物質(zhì)A、B和C在常規(guī)的MS下無法區(qū)分，但是在高場強(qiáng)下就能通過率子遷移率的測量得到很好的區(qū)分。圖3表示了平板電場極板間距尺寸和擊穿電壓特性曲線。根據(jù)圖3，當(dāng)電場極板之間的間距降低到很小的時(shí)候，比如l(Tl00um,擊穿場強(qiáng)也從10kV/cm提升到30kV/cm,甚至更高。因此，使用微小的極板間距可以獲得更高場強(qiáng)的平板電場。圖4a、圖4b表示了現(xiàn)有的非對稱高場強(qiáng)離子遷移譜分析儀FAMS遷移管過濾器的結(jié)構(gòu)，圖4a為硅片縱向切割剖面圖，圖4b為俯視圖，圖4a對應(yīng)圖4bP_P’的截面圖。根據(jù)圖4a、圖4b，該遷移管的遷移區(qū)電場是利用縱向刻蝕加工技術(shù)在硅片上加工出的微間距極板(附圖4a、圖4b中的極板212、極板214)，也就是在硅片表面縱深向下加工出通透空間225，剩下的部分就成為遷移管過濾器的極板212和214 ;然后對極板施加高電壓形成的。由于極板212和極板214的間距很小，比如30um，因此，就可以測量高場強(qiáng)區(qū)物質(zhì)的離子遷移率特性，利用高場強(qiáng)區(qū)豐富的離子遷移率特性，從而更好的區(qū)分三種氣體成份(301、302、303)。而且，由于過濾電場的極板間距極小，因此，無需龐大的高壓設(shè)備，只需要幾百伏的電壓就可以獲得很高的場強(qiáng)，降低了對高壓電源的要求。這樣的離子遷移率譜分析儀被稱為非對稱高場強(qiáng)離子遷移率譜分析儀FAIMS。FAIMS的遷移管過濾器極板(212、214)是在同一個(gè)硅片加工得到的，電極(315、316、317、318)為加工于娃片表面、用于電信號連接和傳導(dǎo)的金屬鍍層,在加工好過濾器的幾何結(jié)構(gòu)之后，需要將硅片粘貼到用于固定過濾器電場極板的絕緣結(jié)構(gòu)(圖5中不可見)之上后，再將其極板212和極板214斷開得到遷移管過濾器電場的兩個(gè)獨(dú)立電極。圖5表示了絕緣隔離型的FAIMS遷移管過濾器的另外一種電極極板結(jié)構(gòu)其中未畫斜線填充的部分(22a)會被縱深向下加工出通透空間，其余畫斜線填充的部分形成電極極板；通透空間加工完成后，對結(jié)合區(qū)域(22)使用氧化等方法形成高阻絕緣結(jié)構(gòu)，從而得到兩個(gè)獨(dú)立的電場電極。和IMS測量離子特定電場下遷 移時(shí)間不同，F(xiàn)AIMS是一種離子遷移時(shí)間導(dǎo)數(shù)的離子遷移譜分析儀。相關(guān)的文獻(xiàn)和專利參看參考文獻(xiàn)[I] :L. A. Buryakov et al. Int.J. Mass. Spectrum Ion Process. 128(1993) 143;參考文獻(xiàn)[2] E. V. Krylov et al. Int.J. Mass Spectrum. Ion Process225 (2003) 39-51,參考文獻(xiàn)[3] : W02006/013396，參考文獻(xiàn):W02006/046077o在FAMS中，篩選電場的驅(qū)動電壓具有電壓幅度(電場強(qiáng)度)、電壓脈沖占空比、電壓脈沖的直流分量、電壓脈沖頻率等參數(shù)。只有在特定的參數(shù)組合下，被測離子才能夠越過篩選電場達(dá)到探測電極，因此，F(xiàn)AIMS的篩選電場也被稱為過濾區(qū)電場，篩選電場器件也被稱為遷移管過濾器?？紤]到FAMS的遷移管過濾器要求過濾電場的電極之間間距小(〈=100微米)，間距均勻，電極表面平整，并沿離子運(yùn)動的方向有較長的過濾深度，因此，目前FAIMS遷移管的制作多采用半導(dǎo)體的干法刻蝕加工技術(shù)，比如專利申請文件US2010148051中公開內(nèi)容。首先在硅片上使用金屬制作指叉電極的圖形；然后用干法刻蝕(比如深度離子刻蝕)加工好遷移管的指叉電極極板；在遷移管器件和玻璃襯底鍵合完成后，或者是用物理方法斷開遷移管指叉電極之間的連接，或者使用化學(xué)等方法將遷移管電極連接處調(diào)整至高阻。圖6示出了干法刻蝕過程中加工步驟等對表面光潔度的影響。如圖6，沿垂直方向的刻蝕是一段一段加工的；每一段加工的內(nèi)表面也不是平面，而是帶有一定弧度的弧面。并且在半導(dǎo)體加工工藝中，使用干法刻蝕耗時(shí)較長，成本相對較高。為了保證刻蝕的垂直度，比如90+/-1度，目前制作FAMS遷移管過濾器可以實(shí)現(xiàn)的刻蝕深度一般在300um-600um，這也是FAMS工作過程中離子遷移的長度。對于FAMS的遷移管過濾器而言，離子遷移長度越長，則儀器的分辨能力越好。雖然上述干法刻蝕可以形成和端面垂直度高的加工面，但是，沿刻蝕方向，由于加工過程的特點(diǎn)，遷移管過濾器電場電極表面的均勻性還是難以控制，因而制作的FAMS遷移管成本過高。此外，指叉結(jié)構(gòu)的FAMS遷移管設(shè)計(jì)，在指叉的頂部拐角區(qū)域，電場電極的間距理論上為設(shè)計(jì)間距的VI倍，存在奇異的電場，降低了檢測的分辨能力。

發(fā)明內(nèi)容
由于現(xiàn)有技術(shù)加工成本高，為了降低加工成本，本發(fā)明提供一種使用濕法刻蝕和硅片鍵合相結(jié)合的技術(shù)，用集成電路工藝的金屬層制作FAIMS遷移管過濾器的電場電極；通過使用保護(hù)電極來規(guī)范遷移管電極的邊緣電場，避免高精度垂直刻蝕加工，降低FAIMS遷移管過濾器加工的復(fù)雜性和成本。采用濕法刻蝕可以將遷移管過濾器的離子遷移通道沿硅片的平行而不是厚度方向加工，因此，可以制作任意長度的離子遷移過濾區(qū)。通過將濕法刻蝕和硅片鍵合技術(shù)與規(guī)范電場電極設(shè)計(jì)相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)高性能FAIMS遷移管過濾器的低成本加工。本發(fā)明提供了一種FAIMS遷移管過濾器的結(jié)構(gòu)，包括
第一硅片，包括硅片本體、第一氧化層、包括至少3組相互絕緣的同一金屬層制作的第一金屬圖形層、第二氧化層、包括至少3組相互絕緣的同一金屬層制作的第二金屬圖形層、第三氧化層以及至少一組腔體，其中所述第一氧化層位于所述硅片本體之上，所述第一金屬圖形層位于所述第一氧化層之上，所述第二氧化層位于所述第一金屬圖形層之上，所述第二金屬圖形層位于所述第二氧化層之上，所述第三氧化層位于所述第二金屬圖形層之上，所述至少一組腔體位于所述硅片本體和所述第一氧化層中間，每組腔體和所述第一金屬圖形層中間的過濾電場電極的位置對應(yīng)；第二硅片，與所述第一硅片 結(jié)構(gòu)相同；設(shè)定娃片加工氧化層和金屬層的方向?yàn)樯戏?，娃片本體的方向?yàn)橄路?；其中所述第一硅片和所述第二硅片的厚度?0-100微米之間，并且所述第一硅片和第二硅片按照從上往下的順序?qū)R擺放并鍵合成整體。本發(fā)明還提供了一種FAMS遷移管過濾器的加工方法，包括在第一娃片表面生長第一氧化層；在第一硅片表面加工至少3組同一金屬層制作的相互絕緣的第一金屬圖形層；在所述第一金屬層表面加工第二氧化層；在所述第二氧化層表面加工與所述第一金屬圖形層相同的第二金屬圖形層；在所述第二金屬層表面加工第三氧化層，去除第二金屬圖形層的過濾電場電極表面的第三氧化層；將第一硅片減薄到30-100微米；在第一硅片上與所述第三氧化層相反的面使用濕法刻蝕去除與所述第一金屬圖形層的過濾電場電極對應(yīng)的硅片本體，得到至少一組腔體，每組腔體和所述第一金屬圖形層的中間的過濾電場電極位置對應(yīng)；對第二硅片實(shí)施與所述第一硅片相同的加工方法；以及將所述第一硅片和第二硅片按照從上向下的順序疊加并鍵合在一起。本發(fā)明提供的濕法刻蝕和硅片鍵合技術(shù)相結(jié)合的FAMS過濾器的加工方法，能夠在普通高壓集成電路工藝基礎(chǔ)上，使用濕法刻蝕技術(shù)，在規(guī)范電場電極的作用下，得到合格的FAMS過濾區(qū)電場。除了采用濕法刻蝕能夠顯著降低FAMS過濾器的加工成本之外，該技術(shù)還能夠靈活的通過過濾電場金屬電極的設(shè)計(jì)，設(shè)置過濾區(qū)離子遷移長度，從而獲得更高的離子檢出精度。


通過對附圖中本發(fā)明示例實(shí)施例方式的更詳細(xì)描述，本發(fā)明的上述、以及其它目的、特征和優(yōu)勢將變得更加明顯，其中，相同的參考標(biāo)號通常代表本發(fā)明示例實(shí)施例方式中的相同部件。圖I示出了現(xiàn)有技術(shù)中典型的離子遷移譜分析儀遷移管過濾器結(jié)構(gòu)；圖2示出了 ABC三種不同物質(zhì)離子遷移率隨著電場強(qiáng)度的增加而發(fā)生變化的曲線.
-^4 ，圖3示出了平板電場極板間距尺寸和擊穿電壓特性曲線；圖4a、4b示出了現(xiàn)有的高場強(qiáng)非對稱離子遷移譜分析儀遷移管過濾器的結(jié)構(gòu)；
圖5示出了絕緣隔離型的高場強(qiáng)非對稱離子遷移譜分析儀FAMS遷移管過濾器電場電極極板結(jié)構(gòu)；圖6示出了干法刻蝕過程中加工步驟等對表面光潔度的影響；圖7示出了本發(fā)明FAMS遷移管過濾器的硅片氧化層和金屬圖形層的制作；圖8表示了本發(fā)明硅片第一金屬圖形層和第二金屬圖形層的制作；圖9表示了本發(fā)明濕法刻蝕FAMS遷移管過濾器單層硅片減?。粓D10表示了濕法刻蝕FAMS遷移管過濾器過濾區(qū)腔體的制作；

圖11表示了濕法刻蝕和硅片鍵合制作的多層單排孔的FAMS遷移管；圖12表示了濕法刻蝕FAMS過濾電場電極和規(guī)范電場電極的信號連接；圖13表示了濕法刻蝕FAIMS過濾電場奇/偶數(shù)層模式電極結(jié)構(gòu)；圖14表示了濕法刻蝕和硅片鍵合方法制作的多排多層FAMS遷移管過濾器的結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施例方式下面將參照附圖更加詳細(xì)地描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，在附圖中顯示了本發(fā)明 的優(yōu)選實(shí)施例。然而，本發(fā)明可以以各種形式實(shí)現(xiàn)而不應(yīng)該理解為被這里闡述的實(shí)施例所限制。相反，提供這些實(shí)施例是為了使本發(fā)明更加透徹和完整，并且，完全將本發(fā)明的范圍傳達(dá)給本領(lǐng)域的技術(shù)人員。現(xiàn)有的FAMS技術(shù)的過濾器是通過垂直半導(dǎo)體圓硅片表面的縱向干法刻蝕技術(shù)，加工出FAIMS過濾電場的平板電極得到的。過濾電場電極之間的平行度和電場強(qiáng)度的均勻性是依靠縱向干法刻蝕技術(shù)加工的精度來保證，因此受當(dāng)前縱向干法刻蝕技術(shù)限制，成本高，過濾器的離子遷移路徑短。濕法刻蝕是傳統(tǒng)的刻蝕方法，通過將硅片浸泡在一定的化學(xué)試劑或者試劑溶液(比如在傳統(tǒng)的集成電路工藝中，使用氫氟酸刻蝕二氧化硅薄膜，磷酸刻蝕鋁薄膜)中，從而使沒有被抗蝕劑掩蔽的那一部分薄膜表面和試劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而被除去。這種液態(tài)環(huán)境中進(jìn)行刻蝕的工藝稱為“濕法”工藝，通常用于傳統(tǒng)集成電路加工中厚度在I個(gè)微米或者微米以內(nèi)的表面結(jié)構(gòu)，比如氧化層或者金屬層的刻蝕。其優(yōu)點(diǎn)是操作簡單，對設(shè)備要求低，易于實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)。濕法刻蝕的缺點(diǎn)是化學(xué)反應(yīng)各向異性較差，難以精確控制圖形，一般不能用于幾百個(gè)微米硅片厚度的垂直刻蝕。為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種FAMS遷移管過濾器及其加工方法，該加工方法使用濕法刻蝕和硅片鍵合相結(jié)合的技術(shù)，得到了如圖7示出的FAMS遷移管過濾器的硅片氧化層和金屬層結(jié)構(gòu)，所述的加工方法的具體步驟如下在步驟S701，在第一硅片表面生長第一氧化層薄層；在步驟S702，在第一硅片表面加工至少3組相互絕緣的第一金屬圖形層，其中，所述至少3組相互絕緣的第一金屬圖形層中，兩邊的兩組金屬圖形用于形成規(guī)范電場的電極，中間的一組金屬圖形用于形成FAIMS過濾電場電極；在步驟S703，在所述第一金屬圖形層表面加工第二氧化層；在步驟S704，在所述第二氧化層表面加工與所述第一金屬圖形層相同的第二金屬圖形層；
在步驟S705，在所述第二金屬圖形層表面加工第三氧化層，去除第二金屬圖形層的過濾電場電極表面的第三氧化層；在步驟S706，將第一硅片減薄到30-100微米；在步驟S707，在第一硅片上與所述第三氧化層相反的面使用濕法刻蝕去除與所述第一金屬圖形層的過濾電場電極對應(yīng)位置的硅片本體，得到至少一組腔體，每組腔體和所述第一金屬圖形層的中間金屬電極(也就是 過濾電場電極)對應(yīng)；在步驟S708，對第二硅片實(shí)施與所述第一硅片相同的加工方法；在步驟S709，將所述第一硅片的腔體所在表面和所述第二硅片的第三氧化層所在平面鍵合。本發(fā)明中，采用傳統(tǒng)的集成電路工藝的濕法刻蝕工藝，比如使用氫氟酸刻蝕二氧化硅的硅氧層，使用磷酸刻蝕金屬鋁。如圖7所示，在硅片401表面生長第一氧化層402，該第一氧化層402的目的主要是與硅片401絕緣，該第一氧化層402可以為二氧化硅(SiO2),也可以使用氮化硅(Si3N4)等其他絕緣材料，厚度可以為IOOnm到lum，具體厚度和需要耐壓的高壓電壓數(shù)值以及材料的絕緣性能相關(guān)。然后在第一氧化層402之上，加工第一金屬圖形層，比如采用濺射的方法加工鋁，使用濕法刻蝕去除多余的金屬鋁，得到至少3組相互絕緣的第一金屬圖形層。兩邊的金屬圖形用于形成規(guī)范電場的電極403，中間的金屬圖形用于形成FAMS過濾器過濾電場電極404。過濾電場電極404對應(yīng)過濾器的過濾孔，圖7對應(yīng)了一層具有一個(gè)過濾孔的情況，因此，當(dāng)設(shè)計(jì)的一層具有多個(gè)過濾孔的時(shí)候，沿著平行硅片的方向，過濾電場電極404包含兩個(gè)或者多個(gè)電極。為了方便信號走線，僅僅上述一層金屬圖形層是不夠的，因此，在步驟S703，在上述規(guī)范電場電極403和過濾器過濾電場電極404所在的第一金屬圖形層之上再加工第二氧化層，與第一氧化層使用相同的物質(zhì)，厚度范圍從IOOnm到Ium ;然后在第二氧化層之上再加工與所述第一金屬圖形層相似的第二金屬圖形層，圖8表示了本發(fā)明硅片第一金屬圖形層和第二金屬圖形層的制作。如圖8所示，過濾電場電極404-Μ1、404-Μ2和規(guī)范電場電極403-Μ1、403-Μ2使用兩層金屬層Ml和M2制作,第一金屬圖形層和第二金屬圖形層之間可以使用過孔407相連。這樣可以在第二金屬圖形層的金屬中走線。然后在第二金屬圖形層表面加工第三氧化層，并去除第二金屬圖形層的過濾電場電極404-M2表面的第三氧化層，將電場金屬電極暴露在外界空氣409中。第三氧化層與第一氧化層使用相同的物質(zhì)，厚度范圍從IOOnm到lum，第一、二、三氧化層的目的都是為了絕緣，因此厚度要滿足耐壓條件。圖9表示了本發(fā)明濕法刻蝕FAMS遷移管過濾器單層硅片減薄后的結(jié)構(gòu)，通過減薄加工，將硅片401的厚度減薄至FAMS遷移管電場電極間距相當(dāng)?shù)暮穸?，比?(Γ100微米。這個(gè)厚度和FAMS的過濾電場電極間距的要求一致。減薄可以使用現(xiàn)有的任何3(Γ100微米減薄工藝，這對本領(lǐng)域技術(shù)人員是很清楚的，也不是本發(fā)明的重點(diǎn)，這里不再贅述。減薄的目的是為了形成后續(xù)的多層FAIMS遷移管機(jī)構(gòu)。圖10表示了濕法刻蝕FAMS遷移管過濾器腔體過濾區(qū)的制作。在圖11中，將減薄后硅片401上下兩面拋光，也就是對第三氧化層和硅片底部表面進(jìn)行拋光，拋光的目的是為了后續(xù)的鍵合，是為了獲得更好的鍵合表面光潔度，是一種優(yōu)選的實(shí)施方式。拋光后，將硅片401的背面，也就是與所述第三氧化層相反的面，與過濾電場電極404對應(yīng)的硅片本體使用濕法刻蝕去除，去除過濾電場電極404底面的第一氧化層402。過濾電場電極404的金屬圖形底部暴露在空氣中，如圖10。去除后可以得到至少一組腔體，每組腔體和所述第一金屬圖形層的中間的金屬電極對應(yīng)。腔體就是制成的FAIMS遷移管過濾器的過濾區(qū)。由圖10可見，由于濕法刻蝕材料各向異性特性控制困難，硅片401的刻蝕面沿〈111〉晶向，和硅片平面的夾角遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離90度，因此，不能使用濕法刻蝕來加工FAMS的垂直指叉電極，但是可以使用濕法刻蝕加工遷移管過濾器過濾電極404的支撐結(jié)構(gòu)，然后通過硅片鍵合的方式 得到過濾器的腔體。同樣，對第二硅片也進(jìn)行與第一硅片相同的上述加工方法。圖11表示了濕法刻蝕和硅片鍵合制作的多層單排孔的遷移管；在該圖11對應(yīng)的加工方法中，還包括步驟在所述第三氧化層上形成至少一組與第一金屬圖形層結(jié)構(gòu)相同的第三金屬圖形層，以及至少一組第四氧化層，其中在所述第三氧化層上依次為第三金屬圖形層和第四氧化層。使用兩個(gè)或者兩個(gè)以上經(jīng)過加工后的硅片鍵合，其中最底層的硅片700無需做腔體刻蝕。不同的硅片的過濾電場電極404之間、規(guī)范電場電極403之間使用通孔過孔407連接在一起，在頂端，也就是第一硅片的第三氧化層，形成鍵合PAD701、702、703，待檢測的離子301可以沿箭頭方向進(jìn)入過濾區(qū)。通過PAD701、702、703引出過濾電場電極404和電場規(guī)范電極403，規(guī)范電場電極403接地，過濾電場電極404接FAMS的電場驅(qū)動信號。圖12表不了濕法刻蝕FAIMS過濾電場電極和規(guī)范電場電極的信號連接。相鄰層硅片的過濾電場電極404通過鍵合PAD701和PAD703分別接高壓驅(qū)動信號源901的兩端，相間層硅片的規(guī)范電場電極403可以接射頻信號源的“地”信號902，因此任意時(shí)刻中間層的雙側(cè)受電場作用力基本能夠抵消，從而大大降低了器件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。射頻信號源可以調(diào)整射頻驅(qū)動信號的頻率、占空比、直流分量等參數(shù)。所有的規(guī)范電場電極403都和“地”信號902相連。過濾電場的邊沿特性通過規(guī)范電場電極403得到修正，降低了不規(guī)則電場對過濾效果的影響。從這里可以知道，和傳統(tǒng)的FAIMS結(jié)構(gòu)相比，其規(guī)范的電場嚴(yán)格依賴于器件規(guī)范的幾何結(jié)構(gòu)，而本發(fā)明通過引入規(guī)范電場電極，從而可以使用幾何結(jié)構(gòu)加工精度低的濕法刻蝕。層疊鍵合的硅片采用從上而下的通孔過孔的方式將金屬圖形層對應(yīng)的信號短接在一起，然后和器件的外部信號相連。常見的過孔用于連接統(tǒng)一硅片內(nèi)兩個(gè)相鄰的金屬層，采用硅片上下通孔的過孔可以把不同硅片的信號連接起來。制作FAMS過濾器的奇數(shù)層硅片和偶數(shù)層過濾電極需要分別和驅(qū)動射頻信號源的兩驅(qū)動端分別相連。圖13表示了濕法刻蝕FAMS過濾電場奇/偶數(shù)層模式電極結(jié)構(gòu)。為了便于將電極引出和驅(qū)動射頻信號源的兩端正確相連，根據(jù)硅片所處的奇數(shù)層和偶數(shù)層的不同，將對硅片頂層金屬信號引出模式分為兩種加工奇數(shù)層模式和偶數(shù)層模式。每個(gè)電場電極具有輸出信號的兩個(gè)接線區(qū)奇數(shù)層接線區(qū)801和偶數(shù)層接線區(qū)803。奇數(shù)層模式的過濾電場電極和奇數(shù)層接線區(qū)801相連，偶數(shù)層模式的過濾電場電極和偶數(shù)層接線區(qū)803相連。所有的奇數(shù)層接線區(qū)801在硅片完成鍵合后短接在一起，通過金屬化的通孔過孔A相連；所有的偶數(shù)層接線區(qū)803在硅片完成鍵合后短接在一起，通過金屬化的通孔過孔B相連。由于奇數(shù)層和偶數(shù)層電場電極和接線區(qū)連接的方式不一樣，從而得到奇、偶相間的連接方式并實(shí)現(xiàn)和驅(qū)動射頻信號源的兩端正確連接。如圖13，對于奇數(shù)層，偶數(shù)層接線區(qū)803和過濾電場電極404相連，奇數(shù)層接線區(qū)801和規(guī)范電場電極403相連；對于偶數(shù)層，偶數(shù)層接線區(qū)803和規(guī)范電場電極403相連，奇數(shù)層接線區(qū)801和過濾電場電極404相連；或者反之，從而通過通孔過孔即可實(shí)現(xiàn)過濾器電場電極的信號連接。在同一個(gè)發(fā)明構(gòu)思下，本發(fā)明還公開了一種FAMS遷移管的結(jié)構(gòu)。圖14表示了濕法刻蝕和硅片鍵合方法制作的FAIMS多排多層遷移管過濾器的結(jié)構(gòu)。如圖14所示，該結(jié)構(gòu)包括第一硅片，包括硅片本體，其上順次 為第一氧化層、至少5組相互絕緣的第一金屬圖形層、第二氧化層、至少5組相互絕緣的第二金屬圖形層，第三氧化層以及至少一組腔體，其中所述第一氧化層位于所述硅片本體之上，所述第一金屬圖形層位于所述第一氧化層之上，所述第二氧化層位于所述第一金屬圖形層之上，所述第二金屬圖形層位于所述第二氧化層之上，所述第三氧化層位于所述第二金屬圖形層之上，所述至少一組腔體位于所述硅片本體和所述第一氧化層中，每組腔體和所述第一金屬圖形中間的金屬電極(過濾電場電極)對應(yīng)；第二硅片，與所述第一硅片結(jié)構(gòu)相同；其中所述第一硅片和所述第二硅片的厚度在30-100微米之間，并且所述第一硅片的硅片本體表面和所述第二硅片的第三氧化層表面鍵合連接。多層遷移管結(jié)構(gòu)也就是具有多個(gè)第二硅片。對于單層過濾區(qū)，可以使用單個(gè)腔體過濾區(qū)，也可以使用多個(gè)腔體過濾區(qū)，從而在不降低過濾區(qū)力學(xué)特性的前提下，在水平方向增加過濾區(qū)的截面積，從而增大有效檢測范圍。在一種實(shí)施方式下，所述的FAMS遷移管過濾器的結(jié)構(gòu)還包括至少一個(gè)第三硅片，其中至少一個(gè)第三娃片與所述第一娃片結(jié)構(gòu)相同，每個(gè)第三娃片娃片本體表面和下一第三硅片的第三氧化層依次鍵合連接，最上面的第三硅片的第三氧化層與所述第二硅片的硅片本體表面鍵合連接，最下面的第三硅片不包含腔體。在另外一種實(shí)施方式下，該結(jié)構(gòu)還包括至少一組與第一金屬層結(jié)構(gòu)相同的第三金屬圖形層，以及至少一組第四氧化層，其中在所述第三氧化層上依次為第三金屬圖形層和第四氧化層。其中形成的FAMS遷移管的結(jié)構(gòu)中，各金屬圖形層的至少5組相互絕緣的金屬圖形，從邊緣開始相間的金屬圖形用于形成規(guī)范電場電極，規(guī)范電場電極中間的金屬圖形用于形成FAMS過濾電場電極，不同的硅片的過濾電場電極404之間、規(guī)范電場電極403之間使用通孔過孔407連接在一起，在第一硅片的第三氧化層形成鍵合PAD。優(yōu)選地，其中相鄰層硅片的過濾電場電極分別接高壓驅(qū)動信號的兩端相連，相間層的硅片的規(guī)范電場電極接“地”信號。過濾電場電極404和規(guī)范電場電極403還可以使用3層或3層以上的金屬層工藝制作，使用3層及以上金屬層高壓集成電路工藝可以得到更完美的遷移管電場邊緣。上述方案中，由于采用了通用高壓集成電路加工工藝的金屬層來加工FAMS遷移管的過濾電場電極板，并且使用同種金屬層制作的規(guī)范電場電極來規(guī)范FAIMS過濾區(qū)的高壓電場邊緣特性，因此，過濾電場的均勻性不依賴于垂直加工電極來保障，降低了加工難度。此外，采用該方法加工的遷移管沿離子過濾方向的電極性能和刻蝕方法無關(guān)，因而，可以在技術(shù)許可的范圍內(nèi)靈活選擇電極的長度，提高遷移管的檢測精度。
以上所述的具體實(shí)施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳 細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種非對稱高場強(qiáng)離子遷移譜分析儀FAIMS遷移管過濾器，包括 第一硅片，包括硅片本體、第一氧化層、包括至少3組相互絕緣的同一金屬層制作的第一金屬圖形層、第二氧化層、包括至少3組相互絕緣的同一金屬層制作的第二金屬圖形層、第三氧化層以及至少一組腔體，其中所述第一氧化層位于所述硅片本體之上，所述第一金屬圖形層位于所述第一氧化層之上，所述第二氧化層位于所述第一金屬圖形層之上，所述第二金屬圖形層位于所述第二氧化層之上，所述第三氧化層位于所述第二金屬圖形層之上，所述至少一組腔體位于所述硅片本體和所述第一氧化層中間，每組腔體和所述第一金屬圖形層中間的過濾電場電極的位置對應(yīng)； 第二娃片，與所述第一娃片結(jié)構(gòu)相同； 設(shè)定娃片加工氧化層和金屬層的方向?yàn)樯戏剑奁倔w的方向?yàn)橄路剑? 其中所述第一硅片和所述第二硅片的厚度在30-100微米之間，并且所述第一硅片和第二硅片按照從上往下的順序?qū)R擺放并鍵合成整體。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的FAMS遷移管過濾器，其中還包括 至少一個(gè)第三硅片，其中至少一個(gè)第三硅片與所述第一硅片結(jié)構(gòu)相同，每個(gè)第三硅片按照從下方增加的順序?qū)R擺放，并與第二硅片鍵合連接，并且最下方的第三硅片不包含腔體。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的一種FAMS遷移管過濾器，其中所述的第一硅片、第二硅片和至少一個(gè)第三硅片的結(jié)構(gòu)上還包括 至少一組與第一金屬圖形層結(jié)構(gòu)相同的第三金屬圖形層，以及至少一組第四氧化層， 其中在所述第三氧化層上依次為第三金屬圖形層和第四氧化層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的FAIMS遷移管過濾器，其中所述的至少3組相互絕緣的金屬圖形層，兩側(cè)的金屬圖形用于形成規(guī)范電場電極，中間的金屬圖形用于形成FAMS遷移管過濾器過濾電場電極，不同的硅片的過濾電場電極在所有硅片鍵合后在電極信號引出部分使用通孔相連，不同硅片的規(guī)范電場電極在所有硅片鍵合后在電極信號引出部分使用通孔相連，并在第一硅片的上表面形成鍵合PAD。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的FAMS遷移管過濾器，其中相鄰層硅片的過濾電場電極分別接高壓射頻驅(qū)動信號源的兩端相連，所有層硅片的規(guī)范電場電極接高壓射頻驅(qū)動信號源的“地”信號。
6.一種FAMS遷移管過濾器的加工方法，包括 在第一娃片表面生長第一氧化層； 在第一硅片表面加工至少3組同一金屬層制作的相互絕緣的第一金屬圖形層； 在所述第一金屬層表面加工第二氧化層； 在所述第二氧化層表面加工與所述第一金屬圖形層相同的第二金屬圖形層； 在所述第二金屬圖形層表面加工第三氧化層，去除第二金屬圖形層的過濾電場電極表面的第三氧化層； 將第一硅片減薄到30-100微米； 在第一硅片上與所述第三氧化層相反的面使用濕法刻蝕去除與所述第一金屬圖形層的過濾電場電極對應(yīng)的硅片本體，得到至少一組腔體，每組腔體和所述第一金屬圖形層的中間的過濾電場電極位置對應(yīng)；對第二娃片實(shí)施與所述第一娃片相同的加工方法；以及 將所述第一娃片和第二娃片按照從上向下的順序疊加并鍵合在一起。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的加工方法，該加工方法還包括 對至少一個(gè)第三娃片實(shí)施與所述第一娃片相同的加工方法； 從上向下按照第一硅片、第二硅片、第三硅片的順序?qū)R擺放并鍵合連接； 其中，第三硅片頂層的第三氧化層與所述第二硅片的硅片本體表面鍵合，最下面的第三硅片不包含腔體。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的加工方法，還包括 在所述第三氧化層上形成至少一組與第一金屬圖形層結(jié)構(gòu)相同的第三金屬圖形層，以及至少一組第四氧化層， 其中在所述第三氧化層上依次為第三金屬圖形層和第四氧化層。
9.根據(jù)權(quán)利要求6-8任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的加工方法，各金屬圖形層包含至少3組相互絕緣的金屬圖形，兩側(cè)的金屬圖形用于形成規(guī)范電場電極，中間的金屬圖形用于形成FAIMS遷移管過濾器過濾電場電極，該方法還包括 不同的硅片的過濾電場電極在所有硅片鍵合后在電極信號引出部分使用通孔相連，不同娃片的規(guī)范電場電極在所有娃片鍵合后在電極信號引出部分使用通孔相連，并在第一娃片的上方表面形成鍵合PAD。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的加工方法，其中相鄰層硅片的過濾電場電極分別接高壓射頻驅(qū)動信號的兩端相連，所有層硅片的規(guī)范電場電極接高壓射頻驅(qū)動信號源的“地”信號。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種非對稱高場強(qiáng)離子遷移譜分析儀遷移管過濾器及其實(shí)現(xiàn)方法，本發(fā)明使用濕法刻蝕和硅片鍵合相結(jié)合的技術(shù)，加工的FAIMS遷移管過濾器包括結(jié)構(gòu)相同的、鍵合連接的第一硅片和第二硅片，第一硅片包括硅片本體及其上順次加工的第一氧化層、包括至少3組相互絕緣的金屬圖形的第一金屬圖形層、第二氧化層、包括至少3組相互絕緣的金屬圖形的第二金屬圖形層，第三氧化層以及至少一組腔體，第一硅片和所述第二硅片的厚度為30～100微米，本發(fā)明能夠在普通高壓集成電路工藝基礎(chǔ)上，使用濕法刻蝕技術(shù)，在規(guī)范電場電極的作用下，得到合格的FAIMS過濾區(qū)電場。除了顯著降低FAIMS過濾器的加工成本外，還能夠獲得更高的離子檢出精度。
文檔編號H01J49/06GK102820200SQ20121027458
公開日2012年12月12日 申請日期2012年8月3日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月3日
發(fā)明者盧小冬, 于秀蘭 申請人:沃譜瑞科技(北京)有限責(zé)任公司